[論文レビュー] Magnetic octupoles as the order parameter for unconventional antiferromagnetism

Sayantika Bhowal, Nicola A. Spaldin|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Magnetic properties of thin films被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、非相対論的スピン分裂（NRSS）を示す非従来型反強磁性体、特に対称中心を有する系（例：MnF₂）において、磁気八極モーメントが基本的な秩序パラメータであると提唱する。これらの八極モーメントの発泡的秩序を記述することで、時間反転対称性の破れとスピン分裂の記述を統一し、スピン分裂の制御が可能になるとともに、磁気コンプトン散乱が非ゼロとなるような新規な現象を予測し、直接的な実験的検出を可能にする。

ABSTRACT

We show that time-reversal symmetry broken, centrosymmetric antiferromagnets with nonrelativistic spin-splitting are conveniently described in terms of the ferroic ordering of magnetic octupoles. The magnetic octupoles are the lowest-order ferroically ordered magnetic quantity in this case, and so are the natural order parameter for the transition into the magnetically ordered state. They provide a unified description of the broken time-reversal symmetry and the non-relativistic spin splitting as well as a platform for manipulating the latter, and account for other phenomena, such as piezomagnetism, characteristic of this class of antiferromagnets. Unusually for antiferromagnets, we show that the magnetic octupoles cause a non-zero magnetic Compton scattering, providing a route for their direct experimental detection. We illustrate these concepts using density-functional and model calculations for the prototypical non-relativistic spin-split antiferromagnet, rutile-structure manganese difuoride, MnF2.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性を破るが空間反転対称性を保つ非従来型反強磁性体に対して、統一的な秩序パラメータを同定すること。
• 従来の反強磁性秩序パラメータが非相対論的スピン分裂および時間反転対称性の破れを記述するのには限界があることに対処すること。
• このクラスの反強磁性体における最低位の多極モーメントとして、磁気八極モーメントの発泡的記述を提供すること。
• スピントロニクス応用に関連して、八極モーメントの制御により非相対論的スピン分裂を操作可能にすること。
• 磁気八極モーメント秩序の直接的検出に向けた新たな実験的シグナル、例えば非ゼロの磁気コンプトン散乱を予測すること。

提案手法

• 磁気相互作用エネルギーの多重極展開を用いて、時間反転対称性を破り、対称中心を有する反強磁性体において、磁気八極モーメントが最低位の発泡的多極モーメントであることを同定する。
• LDA+SOC+Uを用いた密度汎関数理論（DFT）とELKコードを用いて、MnF₂の電子構造を計算し、スピン分裂バンドおよび多極モーメントを分析する。
• N次のミンチン・トリン・オービタル（NMTO）法を用いて、DFTの結果を有効なd-d遷移積分および局所エネルギーを有するタイトバインディングモデルに縮約化する。
• 密度行列をテンソルモーメントに分解することで原子サイトにおける多極モーメントを計算し、d-dおよびp-p軌道からのパリティ偶数成分に注目する。
• スピン極化された運動量密度から磁気コンプトンプロファイル（MCP）を計算し、八極モーメント秩序に対して非ゼロの信号を予測する。
• VASPコードを用いた代替的なDFT計算により結果を検証し、Hellmann-Feynman力による歪み誘発ピエゾ磁気効果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間反転対称性を破るが、対称中心を保つ非従来型反強磁性体に対して適切な秩序パラメータは何か？
• RQ2 磁気八極モーメントが、これらの系における非相対論的スピン分裂と時間反転対称性の破れの記述をどのように統一するか？
• RQ3 磁気八極モーメントの発泡的秩序は、デバイス応用に向けた非相対論的スピン分裂の制御を可能にするか？
• RQ4 反強磁性体における磁気八極モーメント秩序から生じる測定可能な実験的シグナルは何か？
• RQ5 八極モーメント秩序を持つ反強磁性体と従来の反強磁性体とで、磁気コンプトン散乱シグナルはどのように異なるか？

主な発見

• 時間反転対称性を破り、対称中心を有する反強磁性体において、磁気八極モーメントは最低位の発泡的多極モーメントとして特定され、自然な秩序パラメータとなる。
• 磁気八極モーメントの発泡的秩序は、これらの系における非相対論的スピン分裂と時間反転対称性の破れの記述を統一する。
• モデルは八極モーメント秩序を持つ反強磁性体において非ゼロの磁気コンプトン散乱シグナルを予測し、八極モーメント秩序の直接的実験的検出を可能にする。
• 八極モーメント記述はピエゾ磁気効果を説明でき、これらの材料において反ピエゾ磁気的応答を予測する。
• MnF₂におけるDFTおよびタイトバインディング計算により、非相対論的スピン分裂およびMnサイトにおける一貫した八極モーメントが確認された。
• 修正されたMnF₂構造においてサブラットス交換を行ってもバンド構造は本質的に変わらないが、バンドの軌道性が逆転することから、サブラットス依存の八極モーメント秩序の役割が確認された。